中国粉体网讯 1、机遇与挑战
硅基负极材料因其具备高理论容量、低脱嵌锂电位、环境友好、储量丰富等优点，被视为最具潜力的下一代负极材料。当下石墨负极仍然占据市场主流，但由于石墨材料的比容量已接近理论比容量极限372mAh/g，进一步提升空间有限，限制了高性能锂离子电池的发展。未来，石墨负极将不能满足锂离子电池市场的高性能需求。随着技术创新、消费需求的变化，负极材料市场在呼唤新一代高性能产品出现。
业界在寻找替代性材料的过程中，经过许多尝试，也有不少新的高能量密度负极材料被研发和试用，例如金属锂负极、合金类负极、金属氧化物负极、金属硫化物负极等等。但是大部分新材料往往在具备高性能的同时也存在严重缺陷，难以实现材料应用的规模化。在负极材料研究中，硅（Si）作为地壳中第二丰富元素，在储量、成本、生态方面有优势，被视为最具吸引力的材料，也成为近年来负极材料研究的热点。目前真正商业化应用的负极材料只有三种，其中之一就是硅基负极。
虽然硅基负极被业界视为新宠，但是这颗新星在被热捧的同时，仍然有一些瓶颈问题需要面对。硅基负极材料要想真正实现大规模应用，要解决三个问题：一是体积膨胀问题，硅充放电过程中体积膨胀收缩变化达320%（石墨仅12%），会产生较大的机械应力，多次循环后硅颗粒会发生断裂和粉化，造成负极失效；二是内部应力和裂纹，硅负极巨大的体积变化诱发电极内部应力积累，产生裂纹，导致电极粉化，活性材料与集流体分离，性能衰减；三是库伦效率问题，硅负极巨大的体积效应还会导致界面的不稳定性，造成SEI的持续生长，损失活性锂源，降低库仑效率。
新能源市场的火热，驱动负极材料市场的产品迭代和创新研发。大家普遍看好硅基负极的未来前景，为了解决硅基材料应用的瓶颈问题，研发人员探索了不同路线，对硅基负极进行优化提升，以期快速实现硅基负极材料的商业化应用。随着研发的推进，产生了包括纳米化、硅氧化、复合化、多孔化、合金化、预锂化等多种路线。
2、商业化路线
目前，对于硅基负极材料商业化主流路线是硅材料与石墨材料复合，通过掺杂，制备硅碳复合材料。碳材料体积变化小，循环性能优良，将硅与石墨掺杂，抑制体积膨胀，同时改善硅基材料的导电性。
在与石墨材料复合过程中，硅材料可以选择纳米化硅和氧化亚硅。因此，根据硅的不同，可以将掺杂路线分为两种，即硅碳复合材料和氧化亚硅复合材料。
硅碳复合材料，首先需要将硅进行纳米化处理，缩小其体积，进而使之与石墨材料混合。硅碳复合材料结合硅的高比容量与碳材料的高导电、低膨胀、循环稳定等特点，具有很好的能量密度。目前商业化硅碳复合材料，掺硅量大都在10%以下，比容量在400-700mAh/g之间。但硅碳复合材料，循环差，一般在500-600周，主要用于3c消费电子、电动工具市场。
氧化亚硅复合材料，采用氧化亚硅和石墨材料混合，目前商业化应用容量主要在450-500mAh/g之间，循环性能在700-800圈，成本较高，首效相对较低，但循环性能相对较好，可应用于3c消费电子及动力电池。
硅碳负极与硅氧负极对比（资料来源：头豹研究院）
以上硅基负极两条路线的工序主要分为两大部分，一是硅材料的处理，二是与碳材料复合。
两种材料的制备有类似之处，工序上都包含球磨、碳包覆、造粒，不同之处为硅碳复合材料需经过两次球磨再加入石墨负极，而硅氧复合材料是一次球磨，但其重点在于用氧化亚硅制备。
硅碳复合材料的生产核心在于纳米硅的制备，氧化亚硅复合材料生产的核心在于氧化亚硅的制备。
纳米硅粉制备流程（资料来源：中国知网、中金研究部）
氧化亚硅制备流程（资料来源：中国知网、贝特瑞专利、天风证券研究所）
硅碳负极制备流程（资料来源：中国知网、中金研究部）
硅氧负极制备流程（资料来源：中国知网、中金研究部）
参考来源：
[1]头豹研究院.2022年中国硅基负极材料产业前景研究报告
[2]天风证券.高镍+高电压+大圆柱：放量拐点，看好硅负极及衍生新材料投资机会
[3]中金点睛.硅碳负极产业化脚步临近
[4]赵悦.硅基材料在锂电池中的应用及其性能研究
[5]方锐.锂离子电池高能量密度负极材料研究进展
（中国粉体网编辑整理/文正）
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